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Transferência de Calor

Fundamentos da transferência de calor

Em termos mais simples, a disciplina de transferência de calor está preocupado apenas com duas coisas: a temperatura eo fluxo de calor.

Temperatura representa a quantidade de energia térmica disponível, enquanto que o fluxo de calor representa o movimento de energia térmica a partir de um lugar para outro.

Em uma escala microscópica, a energia térmica é relacionada com a energia cinética das moléculas. Quanto maior for a temperatura de um material, maior será a agitação térmica das suas moléculas constituintes (que se manifesta tanto em movimento linear e modos vibracionais). É natural que as regiões que contêm maior energia cinética molecular para passar essa energia para regiões com menos energia cinética.

Diversas propriedades do material servir para modular o calor tranfered entre duas regiões em temperaturas diferentes. Exemplos incluem condutividade térmica, calores específicos, densidades materiais, velocidades de fluido, viscosidade do fluido, emissividade da superfície, e muito mais. Tomados em conjunto, estas propriedades servem para tornar a solução de diversos problemas de transferência de calor de um processo de envolver.

Mecanismos de transferência de calor

Os mecanismos de transferência de calor podem ser agrupados em três categorias gerais:

Condução:

As regiões com maior energia cinética molecular vai passar a sua energia térmica para regiões com menos energia molecular através de colisões moleculares diretos, um processo conhecido como a condução. Nos metais, uma parte significativa da energia térmica transportada é também realizada por electrões da banda de condução.

Convecção:

Quando o calor conduz para um fluido estático que leva a uma expansão volumétrica local. Como resultado dos gradientes de pressão induzidas pela gravidade, a parcela de fluido expandido fica flutuante e desloca, assim, o transporte de calor por movimento do fluido (isto é, por convecção), para além da condução. Tal movimento fluido induzida pelo calor em fluidos inicialmente estáticas é conhecido como convecção livre.

Radiação:

Todos os materiais irradiam energia térmica em quantidades determinadas pela temperatura, onde a energia é transportada por fotões de luz nas porções visível e infravermelha do espectro eletromagnético. Quando as temperaturas são uniformes, o fluxo radiativo entre objetos está em equilíbrio e sem energia térmica líquido é trocado. O equilíbrio é perturbado quando as temperaturas não são uniformes, e da energia térmica é transportado a partir da superfície superior para superfícies de baixa temperatura.

Fonte: www.efunda.com

Transferência de Calor

Como o calor é transferido?

Condução - Convecção - Radiação

O que é calor?

Toda a matéria é composta por moléculas e átomos. Estes átomos estão sempre em diferentes tipos de movimento (translação, rotação, vibracional). O movimento dos átomos e moléculas gera calor ou energia térmica. Toda matéria tem uma energia térmica. Quanto mais movimento dos átomos ou moléculas têm mais energia térmica ou calor que eles terão.

Como o calor é transferido?

O calor pode viajar de um lugar para outro de três maneiras: condução, convecção e radiação. Ambos condução e convecção exigem questão de transferência de calor.

Se houver uma diferença de temperatura entre dois sistemas de calor vai sempre encontrar uma maneira de transferir a partir do mais alto ao mais baixo do sistema.

CONDUÇÃO

A condução é a transferência de calor entre as substâncias que se encontram em contato direto uns com os outros. Quanto melhor for o condutor, o calor mais rapidamente será transferida. Metal é uma boa condução de calor. Condução ocorre quando uma substância é aquecida, as partículas irão ganhar mais energia e mais vibrar. Essas moléculas, em seguida, bater em partículas vizinhas e transferir parte de sua energia para eles. Este, em seguida, continua e passa a energia a partir da extremidade quente para baixo para a extremidade mais fria da substância.

CONVECÇÃO

A energia térmica é transferida de locais quentes para locais frios por convecção. Convecção quando ocorre mais quentes áreas de um líquido ou de ascensão de gás para as zonas mais frias do líquido ou gás. Líquido ou gás mais frio, então toma o lugar das áreas mais quentes que subiram mais alto. Isto resulta num padrão de circulação contínuo. Água fervendo em uma panela é um bom exemplo dessas correntes de convecção. Outro bom exemplo de convecção é na atmosfera.

RADIAÇÃO

A radiação é um método de transferência de calor que não dependem de qualquer contato entre a fonte de calor e do objeto aquecido, como é o caso da condução e convecção. O calor pode ser transmitido se o espaço vazio por radiação térmica, muitas vezes chamado de radiação infravermelha . Este é um tipo de radiação eletromagnética . Nenhuma massa é trocada e é necessário nenhum meio do processo de radiação. Exemplos de radiação, o calor do sol ou do calor libertado a partir do filamento de uma lâmpada.

Fonte: www.edinformatics.com

Transferência de Calor

O calor flui dos corpos mais quentes para os mais frios. Você freqüentemente deseja evitar que o calor se escoe. Por exemplo, você usa roupas de lã no inverno para manter-se aquecido, e sua geladeira tem paredes espêssas para impedir a entrada de calor. Quando você deseja facilitar o escoamento de calor você usa metais porque êles são bons condutores. Sua mãe usa panelas de ferro ou alumínio.

Nos países frios, usam-se atualmente aquecedores (ou calefatores) elétricos ou a gás, que esquentam o ar de, um aposento principalmente pela radiação que é absorvida e transformada em calor. Muitos lares são aquecidos por meio de aparelhos de ar quente ou sistemas de aquecimento por meio de água quente em que o calor é transferido pelo movimento do ar, ou água, quente.

O calor pode passar dos corpos quentes aos mais frios por convecção, condução e radiação.

Convecção

Tome tubos de vidro encurvados e ligue-os por tubos de borracha como indica a Figura abaixo. Encha os tubos com água e deixe cair uma gôta de tinta em A.

Ponha um bico de Bunsen no ramo esquerdo. A água dêsse ramo recebe energia calorífica da chama, o que faz as moléculas se moverem mais ràpidamente; a água nêle se dilatará e ficará mais leve, ou melhor, menos densa, do que no ramo direito. A água mais fria, sendo mais pesada, mover-se-á para baixo no ramo direito, fazendo a água circular. À agua em movimento leva energia calorífica do ramo esquerdo para o ramo direito. Êsse modo de transferir de transferir calor é chamado convecção. Convecção é a transferência de calor pela matéria em movimento.

Transferência de Calor
Convecção. Aquecendo-se a água em AB ela se expande e fica menos densa.
A água mais fria e mais densa, em CD, desce então. A água em circulação transfere o calor por convecção.
Na convecção, o calor é transferido juntamente com a matéria

Transferência de Calor

Planadores em ação!

Êsses planadores são inicialmente rebocados pelo avião e depois soltos dos cabos para voarem sózinhos. Um pilôto experimentado pode manobrar um dêsses aparelhos sem motor percorrendo grandes distâncias, aproveitando as correntes de ar. Como o ar quente sobe, o planador pode ganhar altura nas correntes ascensionais e então planar, perdendo altura, até encontrar outra corrente ascensional.

Em sentido figurado: o "combustível" do planador são as correntes de convecção.

O ar que sobe na chaminé de de sua casa, ou de uma fábrica, leva calor para cima. Monte dois tubos de cartolina em aberturas de uma caixa de papelão e coloque uma vela acesa debaixo de uma delas, como na Figura abaixo. O ar mais frio em B, sendo mais denso que o ar em A, descerá para a caixa e empurrará o ar quente para fora da chaminé, produzindo circulação do ar. Você pode provar a descida do ar em B, mantendo um pedaço de papel ou pano fumacento sôbre essa chaminé.

Transferência de Calor
Convecção do ar. O ar mais frio, mais denso, em B, desce, aumenta a pressão na caixa e força o ar quente a subir em A.

No forno de ar quente (Figuras abaixo) o ar frio da sala desce pelo tubo de ar frio até o forno. Êste ar frio, mais pesado, força o ar mais quente, menos denso, a subir pelos tubos de ar quente. No sistema de ar quente, a água fria desce pelo tubo de retôrno e força a água quente a subir da caldeira para os radiadores.

Transferência de Calor

Transferência de Calor
Forno de ar quente
Um sistema de aquecimento de água quente. A água fria, descendo para o aquecedor, força a água quente a subir para os radiadores

Condução

Ponha uma extremidade de uma barra de ferro numa chama; as moléculas do ferro nessa extremidade absorverão calor. Essa energia fará as moléculas vibrarem mais rigorosamente e se chocarem com as moléculas vizinhas, transferindo-lhes a energia. Essas moléculas vizinhas, por sua vez, passarão adiante a energia calorífica, de modo que ela será conduzida ao longo da barra para a extremidade fria. Observe que, na condução, o calor passa de molécula a molécula, mas as moléculas não são transportadas com o calor. Condução é a transferência de calor através de um corpo, de molécula a molécula.

Transferência de Calor

Um forno-poço. lingotes ou branco rubro são colocados nesse poço para impedir a perda de calor até que êles sejam prensados ou laminados. O poço é mantido quente, usando-se óleo ou gás como combustível. De que modo podem os lingotes ganhar ou perder calor enquanto no poço?

Para comparar a condução do calor por diferentes metais, enrole, uma na outra, as extremidades de um fio de cobre e outro de ferro, de mesmo comprimento (Figura abaixo). Prenda algumas tachinhas com cêra aos fios. Aqueça as extremidades enroladas dos fios numa chama. As tachas prêsas ao cobre começarão a cair antes das prêsas ao ferro. O cobre conduz calor melhor que o ferro.

Transferência de Calor

Condução. Por que a cêra no cobre derrete antes da cêra no ferro?

Todos os metais são bons condutores de calor. Os gases e os líquidos são bons condutores. Substânciais tais como tecidos, papel e amianto, que pouco conduzem calor, são chamadas maus condutores ou isolantes térmicos. Agasalhos de pele ou de lã fofa são bons isolantes por causa do ar que está aprisionado nos mesmos (Figura abaixo). A lã é mais quente que o algodão e linho, porque retém mais ar em seu interior.

Transferência de Calor
Um bom isolante. êsse material macio é feito de fibras que armazenam ar em poros finos.
Êle conduz tão pouco o calor que a chama não queima a mão do outro lado.

A lã é um bom isolante. A lã prende o ar, formando uma camada isolante que conserva a môça aquecida. O sobretudo seria mais quente - e menos bonito - se a lã estivesse na parte interna.

Radiação

Que é radiação?

O Sol emite energia radiante no espaço; através de milhões de quilômetros, essa energia chega à Terra. Tem a forma de ondas, de comprimento igual a cêrca de 0,00005cm. Quando você recebe a luz do Sol diretamente, você absorve essa energia que se transforma em energia calorífica. Todos os corpos irradiam energia para objetos a temperaturas mais baixas. Você irradia energia para as paredes de uma sala fria. Um aquecedor elétrico, ligado, irradia energia para você. Você absorve essa energia e se aquece. Assim, embora seja a absorção de energia radiante que produz calor, freqüentemente falamos de calor radiante, que é energia radiante absorvida como calor.

Na convecção, a energia calorífica e o ar, a água ou outro material, transmitem-se conjuntamente. Na condução, a energia calorífica passa de molécula para molécula. Na radiação, somente a energia se transmite. Nenhum material é necessário para isso. Acenda uma em cima e contra a sua mão e esta se aquecerá. A máo recebe pouco calor por condução. Não recebe calor por convecção, pois o ar quente sobe. Ela se aquece pela absorção da energia radiante emitida pelo filamento quente.

Que é um bom absorvente de radiação?

Passe um pouco de cola num bulbo de um termômetro e revista o bulbo com uma camada de fuligem ou outra substância preta. Mantenha-o junto com outro termômetro não-revestido, próximo à parte inferior de uma lâmpada elétrica acesa (Figuras abaixo). O termômetro enegrecido se aquecerá mais rapidamente do que o outro, porque as substâncias negras são bons absorventes de calor. Retire a lâmpada. O termômetro de bulbo enegrecido voltará à temperatura ambiente mais depressa que o outro. Os bons absorventes de energia radiante são bons radiadores.

Transferência de Calor
Absorção. O termômetro do bulbo enegrecido absorve os raios de calor, mas o do bulbo prateado os reflete.
Os corpos negros são bons absorventes.

A maioria das substâncias não metálicas absorve melhor o calor radiante que os metais. A fuligem (negro de fumo) absorve cêrca de 97% da radiação que recebe. Tintas não metálicas absorvem 90%, o ferro galvanizado fôsco 50%, tinta de alumínio 30% e alumínio ou prata polidos 6%.

Transferência de Calor

As pessoas que vivem nas regiões tropicais preferem vestir-se de branco porque a roupa branca reflete mais a radiação do Sol do que as roupas escuras.

Benjamim Franklim, o primeiro grande cientista americano, fêz uma experiência muito simples, colocando sôbre a neve, ao sol, pedaços de fazendas de cores diversas. Após algumas horaso pedaço preto, que foi mais aquecido pelo sol tinha-se afundado mais na neve que os outros, enquanto o branco nada se afundara; as outras cores se afundaram tanto mais quanto mais escuras eram. Ficou assim provado que as cores mais claras absorvem menos calor do Sol e são, portanto, mais próprias para as regiões ensolaradas.

Aquecimento por radiação

Nos países em que o inverno é muito frio, as casas, igrejas e edifícios públicos são, algumas vêzes, aquecidos por calor radiante. Canos que transportam água são embutidos no chão ou nas paredes e no teto e fornecem o calor (Figura abaixo). Canos de cobre são postos no chão e encobertos com cêrca de 5cm de concreto.

Água quente, a cêrca de 500C, passa pelos canos. O chão é aquecido por condução e irradia energia, que é absorvida pelos móveis e pelas pessoas na sala.

Êste método de aquecimento é de fácil controle, limpo e pode dar confôrto quando faz frio.

Transferência de Calor
Calor radiante - Canos de cobre postos no concreto conduzem água quente que irradia energia que é absorvida no aposento e produz calor.

Bons absorventes perdem calor com facilidade

Água quente colocada num copo de preta polida esfria mais devagar do que se o copo fôsse revestido de fuligem. As superfícies que absorvem facilmente o calor também o perdem, ou emitem facilmente. Bons absorventes são bons emissores. As chaleiras devem ser bem polidas para irradiar pouco; o fundo não deve ser liso, mas, de preferência negro, para absorver facilmente. Os balões são pintados com tinta de alumínio. Quando êles passam de sob uma nuvem para a radiação do Sol, o alumínio reflete a radiação e o gás não se aquece rapidamente. Quando o balão fica na sombra de uma nuvem, a superfície metálica sendo pobre emissora de calor não irradia facilmente; o gás não se resfria, assim, rapidamente. As mudanças rápidas de temperatura e pressão do gás são, assim, evitadas, tanto porque o alumínio é um mau absorvente como por ser êle um mau emissor. Pouco gás deve ser liberado do balão.

Em agôsto de 1932 um cientista suiço, Auguste Piccard, subiu a uma altura de 19 quilômetros sôbre a Terra numa gôndola esférica prêsa a um enorme balão. Êle queria regular a temperatura na esfera; para isso êle pintou metade de sua superfície externa com tinta prêta e a outra metade com tinta de alumínio. Se a gôndola ficasse muito fria, Piccard voltaria o lado enegrecido da esfera para o Sol, de modo que os raios de calor fôssem fàcilmente absorvidos; se a gôndola ficasse muito quente êle voltaria para o Sol o lado pintado com alumínio, de modo que êste absorvesse pouca radiação, enquanto o lado enegrecido irradiasse facilmente o calor. Seu plano falhou porque o mecanismo destinado a girar a gôndola não funcionou durante a ascensão. A temperatura na gôndola subiu a 450C. Piccard e seus companheiros tiveram um tempo quente na gôndola.

Fonte: www4.prossiga.br

Transferência de Calor

O calor

Quando dois corpos em temperaturas diferentes de põem em contato, produz-se uma transferência de energia do corpo que apresenta temperatura mais elevada ao de temperatura mais baixa, o que faz com que ambas se igualem.

Pode-se definir calor como a energia transferida entre dois sistemas, que é proporcional à diferença de temperatura existente entre eles. Uma superfície através da qual pode haver transferências de calor chama-se diatérmica. Em caso contrário, denomina-se adiabática.

Durante muito tempo discutiu-se a natureza do fluxo de calor entre dois corpos. Até o século XVIII, acreditava-se na existência de um fluido material, denominado fluido calórico. Em fins do século XVIII e durante a primeira metade do século XIX, os trabalhos de Benjamin Thompson e James Prescott Joule levaram à convicção de que o calor é um fluxo de energia. Thompson comparou o peso de um corpo aquecido com o que ele apresenta quando esfria e não observou diferença. Concluiu então que o calor não podia ser uma substância material, mas fruto de algum tipo de movimento, ou seja, energia.

Joule demonstrou que o mesmo efeito de elevação da temperatura de um corpo produzido pelo fluxo de calor pode ser obtido mediante a dissipação de energia mecânica sobre ele (a energia mecânica perde-se ou dissipa-se por ação de forças de resistência ao movimento, como, por exemplo, o atrito). Chegou experimentalmente à conclusão de que, com quantidades iguais de trabalho mecânico sobre um corpo, obtém-se o mesmo aumento de temperatura. Além disso, dado que o fluxo de calor pode se transformar parcialmente em energia mecânica por meio de uma máquina térmica (por exemplo, uma máquina de vapor), ficava demonstrado de modo inequívoco que o calor é uma forma de energia.

O mesmo pesquisador estabeleceu a relação entre as unidades de calor e de energia: uma caloria é igual a 4,18 joules (equivalente mecânico de calor).

Fluxo

Para compreender em que consiste o fluxo de calor é necessário distingui-lo, por um lado, da temperatura e, por outro, da energia interna de um sistema. Este aspecto é particularmente importante porque às vezes, na linguagem comum, confunde-se calor com temperatura alta. Diz-se, por exemplo, que "faz calor" para indicar que a temperatura atmosférica está elevada. A temperatura é a manifestação, no plano macroscópico, das propriedades microscópicas de um sistema.

Trata-se de uma medida da energia cinética produzida pelo movimento das partículas que formam o corpo como, por exemplo, átomos ou moléculas. A energia interna decorre do movimento desordenado dessas partículas, ou seja, da energia de seu movimento interno. Por meio das colisões que se produzem entre as partículas, as que têm uma energia cinética maior (as do sistema em temperatura mais alta) perdem uma energia que é ganha pelas partículas cuja energia cinética é inicialmente menor (as do sistema em temperatura mais baixa). Registra-se, por conseguinte, um fluxo de energia de um sistema ao outro e, se no processo não se produz trabalho mecânico nem alteração química, essa energia é exatamente igual ao calor intercambiado entre os dois sistemas.

Pode-se observar uma relação entre as grandezas de calor, trabalho e energia. As três podem inclusive ser medidas com a mesma unidade (joule, por exemplo).

De outro ponto de vista, existe uma diferença conceitual entre temperatura e medida de calor: a temperatura e a energia interna definem o estado de um sistema e, portanto, são variáveis de estado, enquanto o calor não o é. De um sistema pode-se dizer que apresenta um valor de temperatura, mas não que contém uma quantidade determinada de calor. O calor é uma energia em trânsito e não uma grandeza que caracterize o estado térmico de um sistema; determina mais propriamente a influência energética entre sistemas com temperaturas diferentes.

Grandezas

O calor transferido a um sistema e conseqüente aumento de temperatura relacionam-se por meio de capacidade calorífica específica, ou calor específico do corpo, que se define com a quantidade de calor c que é preciso transferir por unidade de massa de uma substância para que sua temperatura se eleve um grau.

Q é o calor transmitido a uma massa m de forma que sua temperatura aumente em . Define-se também calor específico molar, que é o calor necessário para que um mol da substância eleve sua temperatura um grau.

Como o peso de um mol de substância é igual ao peso molecular, em gramas, chamando-se C o calor específico molar obtém-se a seguinte relação:

C = Mc

Em geral, o calor específico das substâncias varia com a temperatura. Por exemplo, a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de água de 5 a 6oC é diferente da requerida para fazê-lo de 21 a 22oC.

Para medir a capacidade calorífica de uma substância utilizam-se dispositivos chamados calorímetros. A quantidade de calor que se transmite a um sistema depende das condições a que este se encontre submetido durante o processo. Por isso se define o calor específico sob pressão constante Cp (ou Cp) e a volume constante Cv (ou Cv). Devido à dilatação, torna-se difícil manter constante o volume enquanto se transfere calor, pelo que geralmente se avalia o calor específico sob pressão constante.

A transferência de calor pode produzir, além de uma alteração na temperatura do sistema, uma alteração de fase, por exemplo, de sólido a líquido ou de líquido a gás. A quantidade de calor necessária para que uma unidade de massa mude de fase se chama calor latente, que pode ser de fusão, vaporização etc. Para a água em condições normais de pressão, o calor latente de fusão equivale a 80 cal/g e o de vaporização a 539 cal/g.

Propagação

O intercâmbio de energia calorífica entre dois sistemas pode efetuar-se fundamentalmente de três formas, conhecidas como condução, convecção e radiação.

Quando o calor se propaga sem transporte da substância que forma o sistema, mas por meio de intercâmbios energéticos (choques) entre suas partículas integrantes (átomos, moléculas, elétrons etc.), diz-se que se transmitiu por condução. A quantidade de calor conduzida por unidade de tempo depende da diferença de temperatura no condutor, ou, mais exatamente, da variação relativa da temperatura com a longitude (dT / dx, sendo T a temperatura e x a coordenada que dá a posição dos distintos pontos do condutor considerado longitudinal). Tal quantidade de calor depende também das propriedades do material, medidas pela grandeza física conhecida como condutividade térmica. Alguns materiais (por exemplo, os metais) apresentam elevada condutividade térmica. Outros, como os gases e alguns sólidos, apresentam baixa condutividade.

A quantidade de calor H que se transmite por unidade de tempo, através de um condutor de longitude L a seção A é, aproximadamente.

Em que k é a condutividade térmica e t1 e t2 são as temperaturas máxima e mínima do processo.

Quando o calor se transmite por meio de um movimento real da matéria que forma o sistema, diz-se que se propaga por convecção. São exemplos desse procedimentos os radiadores de água quente e os aquecedores de ar. Se o movimento se produz por diferenças de densidade, fala-se de convecção natural ou livre; se é provocado por um ventilador ou bomba, o processo chama-se convecção forçada. A dilatação anômala da água (em estado líquido, tem densidade mínima a 4oC e, em estado sólido, é menos densa que em estado líquido), sua pequena condutividade térmica e as correntes de convecção explicam por que no inverno os lagos e tanques congelam na superfície.

Além dos processos descritos, condução e convecção, um sistema pode transmitir energia mediante emissão de ondas eletromagnéticas. Um segundo corpo pode absorver essas ondas e, com isso, aumentar sua temperatura. Entre os dois corpos registra-se um intercâmbio de energia e diz-se que o calor se propagou de um ao outro por radiação. Constata-se na experiência cotidiana que, ao se aquecer um material, ele emite radiação. Por exemplo, o aquecimento do filamento de uma lâmpada pela passagem de corrente elétrica provoca emissão de luz. Quando se aquece uma barra metálica até certa temperatura, ela torna-se incandescente e também emite luz.

A freqüência da radiação depende também da temperatura: a barra de ferro, aquecida a uma temperatura superior, torna-se branca. Em geral, a energia total emitida por radiação é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do emissor. Essa relação é estabelecida pela lei de Stefan-Boltzmann.

Em que w é a energia por unidade de superfície, T a temperatura absoluta e a constante de Stefan-Boltzmann, cujo valor é 5,672 . 108 watts m-2. K-4.

A energia é emitida num determinado intervalo de freqüências, especialmente nos valores próximos à freqüência fm, diretamente proporcional à temperatura absoluta do corpo, conforme estabelecer a lei do deslocamento de Wien.

As leis empíricas de Stefan-Boltzmann e de Wien tiveram importância decisiva na história da física, pois no começo do século XX Mas Planck descobriu que as trocas de energia não se efetuavam em forma contínua, como se pensava até então, mas em múltiplos de uma energia elementar dependente de freqüência. Essa hipótese revolucionária lançou as bases da teoria quântica, que viria a desempenhar um papel decisivo no conhecimento da estrutura do átomo.

Calorímetro

Aparelho destinado a medir a quantidade de calor de um corpo, é importante distinguir o calorímetro do termômetro, que se destina a determinar a temperatura, ou seja, o nível térmico (mais quente ou menos quente). Importante aplicação prática dos calorímetros consiste na determinação dos calores específicos das diferentes substâncias.

Existem dois tipos de calorímetros. O primeiro baseia-se na variação de temperatura de determinada massa de água. É por isso conhecido como calorímetro de água. O segundo baseia-se na fusão de uma certa quantidade de gelo, sendo denominado calorímetro de fusão ou de gelo. Para compreender o funcionamento do aparelho é preciso considerar os princípios básicos das trocas de calor. Quando dois corpos, em temperaturas diferentes, são colocados em contato, o corpo de temperatura mais elevada cede um pouco de calor ao outro. Por esse motivo o primeiro baixa de temperatura e o segundo aumenta. O processo só termina quando os dois passam a ter a mesma temperatura.

É importante fixar que: "o calor perdido por um corpo é igual ao calor recebido pelo outro". Claro que sempre haverá uma parcela de calor que se perde, porém, que poderá ser desprezada se a experiência for realizada com os necessários cuidados.

O calorímetro de água consta de um recipiente metálico que contém certa massa d"água. A tampa que fecha o recipiente tem dois furos por onde passam um termômetro e um agitador que se destina a favorecer o equilíbrio térmico mais rapidamente. O conjunto é colocado no interior de outro vaso maior onde pode existir feltro ou lã de vidro, para evitar as perdas por propagação de calor na atmosfera. O termômetro fornece a temperatura do conjunto, por exemplo t. Para determinar o calor específico de um corpo cuja massa m é conhecida, leva-se o corpo a um vaso que contém água em ebulição e espera-se algum tempo para que o mesmo adquira a temperatura da água (100oC). Colocando-se, em seguida, o corpo no interior do calorímetro, haverá troca de calor até que o corpo e o calorímetro fiquem na mesma temperatura t". Geralmente o corpo cede calor e sua temperatura baixa de 100oC a t"oC, enquanto o calorímetro recebe calor e sua temperatura se eleva de toC a t"oC.

Chamando de c o calor específico do corpo e de m a massa, o calor perdido será calculado por: Q = mc(100-t").

Chamando de u a soma das capacidades caloríficas do vaso, do termômetro e do agitador e de ma, a massa d"água contida, o calor recebido pelo conjunto será calculado por Q"= (ma + u) (t" - t). Observe-se que a capacidade calorífica da água é calculada por C = ma.Ca; como o calor específico da água é Ca = 1, temos que C = ma.

Como Q = Q", tem-se: mc(100-t") = (ma + u) (t" - t), que permite explicitar o valor do calor específico procurado.

No calorímetro de gelo, o corpo aquecido a 100oC é colocado dentro de um vaso situado no interior de outro vaso que possui gelo a 0oC. O corpo perde calor até que sua temperatura seja 0oC e o calor é gasto para fundir certa massa M de gelo que pode ser recolhida e pesada. Sabe-se que para fundir um grama de gelo são necessárias oitenta calorias, logo, para fundir M gramas foram empregadas 80.M calorias.

O calor cedido pelo corpo é agora: Q = mc (100 -0), ou seja, 100mc e

podemos escrever: 100mc = 80 M ou, calculando c.

Fonte: biomania.com

Transferência de Calor

Em física, transferência, transmissão ou propagação de calor, algumas vezes citada como propagação ou transferência térmica, é a transição deenergia térmica de uma massa (corpo) mais quente para uma massa mais fria. Noutras palavras, é a troca de energia calorífica entre dois sistemas detemperaturas diferentes.

Quando um corpo, por exemplo, um objeto sólido ou um fluido, está a uma temperatura diferente da de seu entorno ou outro corpo, a transferência de energia térmica, também conhecida como fluxo de calor ou troca térmica, ocorre de tal maneira que o corpo e seu entorno alcancem equilíbrio térmico; o que significa que se encontram a mesma temperatura, a lei zero da termodinâmica. Quando ocorre transferência de energia térmica de um corpo para outro, a propagação se faz do corpo de maior temperatura para o de menor (do mais quente para o mais frio), como descrito pela segunda lei da termodinâmica ou o chamado enunciado Clausius. Quando existe uma diferença de temperatura entre dois objetos em proximidade um do outro, a transferência de calor não pode ser detida; só pode ser feita mais lentamente (noutras palavras, não existe material isolante perfeito).

Quando uma quantidade de calor conduzida por unidade de tempo depende da diferença de temperatura no condutor e a quantidade de calor depende também das propriedades do material, temos a condutividade térmica.

Formas de propagação do calor

A energia, chamada neste caso de energia térmica, pode passar de um corpo para o outro fundamentalmente de três maneiras diferentes: condução, convecção e radiação. Vamos vê-las separadamente, mas na maioria das vezes elas acontecem sempre combinadas.

Condução de calor

Condução é a transferência de calor por contato direto das partículas de matéria. A transferência de energia pode ser primariamente por impacto elástico como em fluidos e por difusão de elétrons livres como predominante em metais ou vibração de fônons como predominante em isoladores. Em outras palavras, calor é transferido por condução quando átomos adjacentes vibram um contra o outro, ou quando elétrons movem-se de um átomo a outro. Condução é maior em sólidos, onde uma rede de relações espaciais relativamente fixas entre átomos ajuda a transferir energia entre eles por vibração.

Condução de calor é diretamente análoga à difusão de partículas em um fluido, na situação onde não há correntes de fluido. Este tipo de difusão de calor difere da difusão de massa em comportamento, apenas na medida em que pode ocorrer em sólidos, ao passo que a difusão de massa é bastante limitada em fluidos.

Metais (e.g. cobre, platina, ouro, etc) são normalmente os melhores condutores de energia térmica.

Isto é devido à forma que os metais são quimicamente ligados: ligações metálicas (em oposição a covalentes ou iônicas) tendo elétrons de livre movimento os quais são hábeis em transferir energia térmica rapidamente através do metal.

À medida que a densidade diminui, decresce a condutividade. Portanto, fluidos (e especialmente gases) são menos condutivos.

Isto é devido às grandes distâncias entre átomos em um gás: menos colisões entre átomos significa menos condução. A condutividade de gases aumenta com a temperatura. Condutividade aumenta com o aumento de pressão do vácuo até um ponto crítico no qual a densidade do gás é tal que suas moléculas podem colidir umas com as outras antes de transferir o calor de uma superfície para outra. Após este ponto de densidade, a condutividade aumenta somente levemente com o aumento de pressão e densidade.

Para quantificar a facilidade com que um determinado meio conduz, engenheiros empregam o termo condutividade térmica, também conhecida como constante de condutividade ou coeficiente de condução, k. Em condutividade térmica k é definido como "a quantidade de calor, Q, transmitido no tempo (t) através de uma espessura (L), em uma direção normal a uma superfície de área (A), devido a uma diferença de temperatura (?T) [...]. " A condutividade térmica é uma propriedade do material que é essencialmente dependente da fase do meio, temperatura, densidade e ligação molecular.

Uma tubulação de calor é um dispositivo passivo que é construída de tal forma que ele age como se tivesse extremamente elevada condutividade térmica.

Condução de estado estacionário vs. condução transiente

Condução de estado estacionário é a forma de condução que ocorre quando a diferença de temperatura conduzindo a condução térmica é tão constante que, após um tempo de equilíbrio, a distribuição espacial das temperaturas (campo de temperatura) no objeto de realização não muda mais. Por exemplo, uma barra pode ser fria em uma extremidade e quente, no outra, mas o gradiente de temperatura ao longo da barra não altera-se com o tempo. A temperatura em qualquer ponto dado da haste permanece constante, e essa temperatura varia linearmente ao longo da direção de transferência de calor.

Na condução em estado estacionário, a quantidade de calor que entra uma seção é igual à quantidade de calor que sai. Na condução em estado estacionário, todas as leis de condução de corrente elétrica direta podem ser aplicadas às "correntes de calor". Nesses casos, é possível tomar "resistências térmicas", como o análogo para resistências elétricas. A temperatura desempenha o papel de tensão e o calor transferido é o análogo da corrente elétrica.

Condução transiente: existem também situações de estado não estacionário, em que a queda ou aumento de temperatura ocorre de forma mais drástica, como quando uma bola de cobre quente cai no óleo em uma temperatura baixa. Aqui o campo de temperatura dentro do objeto muda como uma função do tempo, e o interesse reside em analisar esta mudança espacial da temperatura dentro do objeto ao longo do tempo. Este modo de condução de calor pode ser referido como condução transiente. A análise destes sistemas é mais complexa e (exceto as formas simples) pede a aplicação das teorias de aproximação e/ou análise numérica por computador. Um método gráfico popular envolve o uso de gráficos de Heisler.

Análise de sistemas agrupados

Uma aproximação comum na condução transitória, que pode ser utilizada quando a condução de calor dentro de um objeto é muito mais rápida do que a condução de calor em todo o contorno do objeto, é análise do sistema agrupado. Este é um método de aproximação que reduz adequadamente um aspecto do sistema de condução transiente (que dentro do objeto) para um sistema equivalente do estado estacionário (isto é, presume-se que a temperatura dentro do objeto é completamente uniforme, embora o seu valor pode estar se alterando no tempo).

Neste método, um termo conhecido como o número de Biot é calculado, o qual é definido como a razão da resistência à transferência de calor em todo o contorno do objeto com um banho uniforme de diferentes temperaturas, para a resistência térmica condutiva dentro do objeto. Quando a resistência térmica de calor transferido para o objeto é menor que a resistência ao calor sendo difundida completamente dentro do objeto, o número de Biot é inferior a 1. Neste caso, em particular para os números de Biot, que são ainda menores, a aproximação das espacialmente uniformes temperaturas dentro do objeto pode começar a ser utilizado, uma vez que se pode presumir que o calor transferido para o objeto tem tempo para uniformemente distribuir-se, devido à menor resistência em fazê-lo, em comparação com a resistência ao calor que entra no objeto.

O número de Biot geralmente deve ser inferior a 0,1 para aproximação útil e precisa e a análise da transferência de calor. A solução matemática para a aproximação do sistema agrupado dá a lei de Newton do arrefecimento, discutida abaixo.

Este modo de análise tem sido aplicada às ciências forenses para analisar o momento da morte de seres humanos. Também pode ser aplicado a HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado, ou climatização de construções), para garantir mais efeitos quase instantâneos de uma mudança na configuração do nível de conforto.

Convecção

Convecção é a transferência de energia térmica pelo movimento de moléculas de uma parte do material para outra. À medida que aumenta o movimento dos fluidos, ocorre a transferência de calor convectiva. A presença de maior movimento do fluido aumenta a transferência de calor entre a superfície do sólido e o fluido.

Existem dois tipos de transferência de calor convectiva:

Convecção natural: quando o movimento do fluido é causado por forças de empuxo que resultam das variações de densidade devido a variações de temperatura no fluido. Por exemplo, na ausência de uma fonte externa, quando a massa do líquido está em contato com uma superfície quente, suas moléculas separadas e em dispersão, fazendo com que a massa de fluido venha a se tornar menos densa. Quando isso acontece, o fluido é deslocado verticalmente ou horizontalmente, enquanto o fluido mais frio líquido fica mais denso e afunda no fluido. Assim, o volume de transferências de calor do volume mais quente para o mais frio do fluido.

Convecção forçada: quando o fluido é forçado a fluir sobre a superfície por fonte externa, como ventiladores e bombas, criando uma corrente de convecção induzida artificialmente.

Fluxo interno e externo também podem classifica a convecção. Fluxo interno ocorre quando o fluido é delimitada por uma fronteira sólida, tais como o fluxo através de um tubo. Um fluxo externo ocorre quando o fluido se estende indefinidamente, sem encontrar uma superfície sólida. Ambas as convecções, natural ou forçada, pode ser interna ou externa, porque são independentes uns dos outros.

A taxa de transferência de calor convectiva é dada por:

Transferência de Calor

A é a área de transferência de calor. Ts é a temperatura de superfície e Tb é a temperatura do fluido na temperatura global. No entanto, Tb varia de acordo com cada situação e é a temperatura do fluido "muito" longe da superfície. h é o coeficiente de transferência de calor constante que depende de propriedades físicas do fluido, tais como temperatura e da situação física em que ocorre convecção. Portanto, o coeficiente de transferência de calor deve ser derivado ou encontrado experimentalmente para cada sistema analisado. Fórmulas e correlações estão disponíveis em muitas referências ao cálculo dos coeficientes de transferência de calor para configurações e fluidos típicos. Para fluxo laminar, o coeficiente de transferência de calor é bastante baixo quando comparado com os fluxos turbulentos, isto devido aos fluxos turbulentos com uma fina camada de película na superfície do fluido estagnado transferência de calor.

Radiação térmica

Radiação ou irradiação é a transferência de energia térmica através do espaço vazio. Todos os objetos com uma temperatura acima do zero absoluto irradiam energia a uma taxa igual à sua emissividade multiplicado pela taxa na qual a energia que irradia a partir deles se fossem um corpo negro. Nenhum meio é necessário para a irradiação ocorrer, pois é transferida através de ondas eletromagnéticas; radiação funciona mesmo através de uma vácuo perfeita. Como exemplo simples disso, a energia do Sol percorre no vácuo do espaço antes que o aquecimento da Terra.

Tanto a refletividade e emissividade de todos os corpos são dependentes do comprimento de onda. A temperatura determina a distribuição de comprimento de onda da radiação eletromagnética como limitada em intensidade pela lei de Planck da radiação de corpo negro. Para qualquer corpo a refletividade depende da distribuição de comprimento de onda da radiação eletromagnética incidente e, portanto, a temperatura da fonte de radiação. A emissividade depende da distribuição de comprimento de onda e, portanto, a temperatura do próprio corpo. Por exemplo, a neve fresca, que é altamente reflexiva à luz visível (refletividade de cerca de 0,90), aparece branca devido à reflexão da luz solar com um comprimento de onda de energia de pico de cerca de 0,5 micrômetros.

Sua emissividade, no entanto, a uma temperatura de cerca de -5 ° C, com comprimento de onda do pico de energia de cerca de 12 micrômetros, é de 0,99.

Gases absorvem e emitem energia em comprimento de onda em padrões característicos que são diferentes para cada gás.

A luz visível é uma outra forma de radiação eletromagnética com comprimento de onda menor (e, portanto, uma maior frequência) que a radiação infravermelha.

A diferença entre a luz visível e a radiação de objetos a temperaturas convencionais é um fator de cerca de 20 na freqüência e comprimento de onda, os dois tipos de emissão são simplesmente diferentes "cores" de radiação eletromagnética.

Superfícies de roupas e edificações, e transferência radioativa

Cores mais claras e também o branco e substâncias metálicas absorvem menos luz de iluminação, e assim aquecem-se menos, mas caso contrário a cor faz pequena diferença no que diz respeito a transferência de calor entre um objeto em temperatura ao longo do tempo e seus arredores, uma vez que os comprimentos de onda dominantes emitidos estão longe do espectro visível , mas sim no infravermelho distante. Emissividade nesses comprimentos de onda têm pouco a ver com emissividade visual (cores visíveis), no infravermelho distante, a maioria dos objetos têm emissividade elevada. Assim, exceto na luz solar, a cor da roupa faz muita diferença no que diz respeito a calor, da mesma forma, a cor da pintura das casas faz pouca diferença ao calor, exceto quando a parte pintada é iluminada. A principal exceção a isto é superfícies de metal brilhante, que têm baixa emissividade, tanto no comprimento de onda visível e no infravermelho distante. Tais superfícies podem ser utilizados para reduzir a transferência de calor em ambas as direções, um exemplo disso é o isolamento multicamada usado para isolar naves espaciais. Janelas de baixa emissividade nas casas são uma tecnologia mais complicada, uma vez que elas devem ter baixa emissividade térmica em comprimentos de onda, porém transparentes à luz visível.

Transferência física

Finalmente é possível mover calor por transferência física de um objeto quente ou frio de um lugar para outro. Isto é tão simples quanto mover água quente em uma bolsa de água quente e aquecer sua cama ou o movimento de um iceberg e a mudança das correntes oceânicas.

Lei de Newton do resfriamento

Transferência de Calor

onde:

Q = Energia térmica em joules

h = Coeficiente de transferência térmica

A = Área de superfície do calor sendo transferido

T = Temperatura da superfície do objeto e interior (uma vez que estes são os mesmos nesta aproximação)

Transferência de Calor Temperatura do ambiente

Transferência de Calor é o gradiente térmico dependente do tempo entre o ambiente e o objeto

 

Esta forma de princípio de perda de calor por vezes não é muito precisa; uma formulação precisa pode exigir a análise do fluxo de calor, com base na equação de transferência de calor (transiente) em um meio não homogênea, ou mal condutor. Um análogo para gradientes contínuos é lei de Fourier.

A simplificação seguinte (chamado sistema de análise térmica agrupada e outros termos semelhantes) podem ser aplicados, desde que sejam permitidos pelo número de Biot, que relaciona a condutividade de superfície de condutividade térmica interior de um corpo. Se esta relação permite, isso mostra que o corpo tem relativamente elevada condutividade interna, tais que (em boa aproximação), o corpo inteiro está na mesma temperatura uniforme, mesmo que esta mudança de temperatura como está em resfriamento de fora, pelo meio ambiente. Se este for o caso, dar estas condições o comportamento dedecaimento exponencial com o tempo, da temperatura do corpo.

Em tais casos, todo o corpo é tratado como um reservatório de calor em capacitância agrupada, com conteúdo total de calor que é proporcional a simples capacidade de calor total C e T, a temperatura do corpo, ou Q = C T. Da definição de capacidade calorífica C vem a relação C = dq / dt.

Diferenciando esta equação com relação ao tempo obtém-se a identidade (válida, desde que as temperaturas no objeto são uniformes em qualquer momento): dQ / dt = C (dT / dt).

Esta expressão pode ser usada para substituir dQ / dt na primeira equação, que começa esta seção, acima. Então, se T (t) é a temperatura desse corpo no tempo t , e Tenv é a temperatura do ambiente em torno do corpo:

Transferência de Calor

onde

r = hA/C é a constante positiva característica do sistema. a qual deve estar em unidades de 1/time, e é portanto expressa em termos da constante de tempo característica t0 dada por:

r = 1/t0 =Transferência de CalorT/[dT(t)/dt] .

Então, em sistemas térmicos, t0 = C/hA. (A capacidade térmica total C de um sistema pode ser ainda representada pela sua capacidade térmica específica de massa cp multiplicado por sua massa m, então a constante no tempo t0 é também dada por mcp/hA).

Assim, a equação acima também pode ser utilmente escrita:

Transferência de Calor

A solução de sua equação diferencial, por métodos padrão de integração e substituição de condições de contorno, obtem-se:

Transferência de Calor

 

Aqui, T(t) é a temperatura no tempo t, e T(0) é a temperatura inicial a tempo zero, ou t = 0.

Se:

Transferência de Calor é a temperatura inicial no tempo 0, então a solução Newtoniana é escrita como:

Transferência de Calor

Usos: Por exemplo, modelos climáticos simplificados podem usar resfriamento Newtoniano em vez de uma completa (e computacionalmente cara) código de radiação para manter a temperatura atmosférica.

Uma aplicação dimensional, utilizando circuitos termais

Um conceito muito útil usado em aplicações de transferência de calor é a representação de transferência térmica pelo que é conhecido como circuitos termais.

Um circuito termal é a representação da resistência ao fluxo de calor como se fosse um resistor elétrico. A transferência de calor é análogo ao atual e a resistência térmica é análoga à resistência elétrica. O valor da resistência térmica para os diferentes modos de transferência de calor são calculados como os denominadores das equações desenvolvidas. As resistências térmicas dos diferentes modos de transferência de calor são utilizados em análise os modos combinados de transferência de calor.

As equações que descrevem os três modos de transferência de calor e suas resistências térmicas, como discutido anteriormente estão resumidos na tabela abaixo:

Equações para modos diferentes de transferência de calor e suas resistências térmicas.

Modo de Transferência Taxa de Transferência de Calor Resistência Térmica
Condução

Transferência de Calor

Transferência de Calor

Convecção

Transferência de Calor

Transferência de Calor

Radiação

Transferência de Calor

Transferência de Calor

Em casos onde existe transferência de calor através de diferentes meios (por exemplo através de um compósito), a resistência equivalente é a soma das resistências dos componentes que compõe o compósito. Igualmente, em casos onde há diferentes modos de transferência de calor, a resistência total é a soma das resistências dos diferentes modos. Usando o conceito do circuito térmico, a quantidade de calor transferido através de qualquer meio é o quociente da mudança de temperatura e a resistência térmica total do meio.

Como exemplo, considerando-se uma parede composta de área de seção transversal A. A composição é feita de uma reboco de cimento de comprimento L1 com um coeficiente térmico k1 e papel faceado com fibra de vidro de medida L2, com coeficiente térmico k2. A superfície esquerda da parede está em Ti e exposta ao ar com um coeficiente convectivo hi. O superfície direita da parede está em To e exposta ao ar com coeficiente de convecção ho.

Usando-se o conceito de resistência térmica de fluxo de calor através da composição tem-se o seguinte:

Em casos onde existe transferência de calor através de diferentes meios (por exemplo através de um compósito), a resistência equivalente é a soma das resistências dos componentes que compõe o compósito. Igualmente, em casos onde há diferentes modos de transferência de calor, a resistência total é a soma das resistências dos diferentes modos. Usando o conceito do circuito térmico, a quantidade de calor transferido através de qualquer meio é o quociente da mudança de temperatura e a resistência térmica total do meio.

Como exemplo, considerando-se uma parede composta de área de seção transversal A. A composição é feita de uma reboco de cimento de comprimento L1 com um coeficiente térmico k1 e papel faceado com fibra de vidro de medida L2, com coeficiente térmico k2. A superfície esquerda da parede está em Ti e exposta ao ar com um coeficiente convectivo hi. O superfície direita da parede está em To e exposta ao ar com coeficiente de convecção ho.

Usando-se o conceito de resistência térmica de fluxo de calor através da composição tem-se o seguinte:

Transferência de Calor

onde:

Transferência de Calor

Barreiras de isolamento e radiação

Isolantes térmicos são materiais especialmente projetados para reduzir o fluxo de calor por limitar a condução, convecção, ou ambos. Barreiras radiantes são materiais os quais refletem radiação e consequentemente reduzem o fluxo de calor das fontes radioativas. Bons isolantes não são necessariamente boas barreiras radiantes, e vice versa. Metal, por exemplo, é um excelente refletor e um isolante pobre exatamente por ser um excelente condutor de calor.

A eficácia de um isolador é indicado pelo seu valor R (resistência). O valor R de um material é o inverso do coeficiente de condução (k) multiplicado pela espessura (d) do isolante.

As unidades do valor de resistência são em unidades SI: (K•m²/W)

Transferência de Calor

Transferência de Calor

Fibra de vidro rígida, um material de isolamento comum, em um valor R de 4 por polegada (o equivalente a aproximadamente 1,57 por cm, ou 157,5 por metro), o poliestireno expandido alcança um R de 4 por polegada, e o extrudado alcança um R de 5, enquanto concreto moldado, um isolante pobre, tem um valor R de 0,08 por polegada (0,03 por cm, ou 3,15 por metro).

A eficácia de uma barreira radiante é indicada pela sua refletividade, que é a fração de radiação refletida. Um material com alta refletividade (em um determinado comprimento de onda) tem um baixo nível de emissões (naquele mesmo comprimento de onda), e vice-versa (em qualquer comprimento de onda específico, refletividade = 1 - emissividade). Uma barreira radiante ideal teria uma refletividade de um e, portanto, refletiria 100% da radiação recebida.

Garrafas de vácuo (frascos de Dewar) são "prateados" para esta abordagem. No vácuo do espaço, os satélites usam isolamento multicamada que consiste de muitas camadas de mylar ( um tipo de filme de poliéster aluminizado (pretendendo ser "espelhado") para reduzir significativamente a transferência de calor por radiação e controlar a temperatura dos satélites.

Espessura de isolamento crítica

Materais de baixa condutividade térmica (k) reduzem o fluxo de calor. Quanto menor o valor de k, maior o valor da correspondente resistência térmica (R).

As unidades de condutividade térmica (k) são W•m-1•K-1 (watts por metro por kelvin), consequentemente aumentando a espessura do isolamento (x metros) diminui-se o termo k e como discutido aumenta-se a resistência.

Isto segue a lógica de que aumento de resistência seja criado com aumento do caminho de condução (x).

No entanto, a adicioção desta camada de isolamento também tem o potencial de aumentar a área de superfície e, portanto, aumentar a área de convecção térmica (A).

Um óbvio exemplo é um tubo cilíndrico:

A medida que o isolamento se torna mais espesso, aumenta o raio exterior e, portanto, aumenta a área de superfície.

O ponto onde a resistência adicional de espessura de isolamento crescente torna-se ofuscada pelos efeitos de superfície é chamado de espessura de isolamento crítica, em simples tubos cilíndricos (quando então podem ser tratada por raio de isolamento crítico)

Transferência de Calor

Gráficos, dados e análises deste fenômeno, tanto do ponto de vista termodinâmico quanto de custos são encontráveis na literatura e fornecem excelente base para projetos de isolamentos eficientes, evitando as perdas ocasionadas por este valor crítico quando ultrapassado.

Métodos mais complexos consideram a perda de calor a partir de um tubo isolado como uma função da espessura do isolamento, determinando a espessura crítica analiticamente em termos de condutividade térmica do material isolante e do coeficiente de transferência de calor com o ar do ambiente, por meio de técnicas numéricas, para diversos materiais isolantes, especialmente em tubulações de água quente, amplamente aplicadas.

Também são teorizadas espessuras críticas para geometrias esféricas, assim como revestimentos com isolamento de poligonais equiláteros, retangular, e formas circulares excêntricas.

Existem análises de raio de isolamento crítico de tubos circulares submetidos além da convecção à radiação, e suas transferências de calor tem sido estudadas analiticamente. Parte-se da suposição que a condensação ou evaporação ocorra no interior do tubo circular de tal forma que a temperatura do fluido em quantidade significativa no interior do tubo continue a mesma. Como o líquido é transportado de um lado para o outro, um aumento ou diminuição da transferência de calor é desejada, dependendo da aplicação (como nos trocadores de calor), sendo estudadas para estes casos a variação da taxa de transferência de calor em relação à variação da espessura do isolamento, através da verificação que determinadas espessuras de isolamento críticos podem existir de tal forma que a transferência de calor entre o fluido e o ambiente torna-se um máximo em emissão de radiação. Tem-se obtido determinadas soluções explícitas para a espessura do isolamento críticos, em casos especiais.

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Fonte: pt.wikipedia.org

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